湯宏勝，馮婷，張?zhí)忑?＊，李延，李華,2

1西北大學化學與材料科學學院，西安 710127

2西安石油大學化學與化工學院，西安 710065

1 分析化學實驗教學的現狀分析

分析化學實驗是高等學?；瘜W、化工等相關學科的一門重要基礎實驗課程，要求學生建立“量”“誤差”“均值”“相對誤差”和“有效數字”等的基本概念，學習領悟分析化學實驗的原理和方法，學會正確規(guī)范使用實驗儀器，合理安排實驗步驟，掌握基本操作技能，正確記錄、處理實驗數據，正確分析實驗結果。重點培養(yǎng)學生的實際動手操作能力和實驗現象的觀察能力，實現基本理論和實踐的結合和融會貫通，激發(fā)學生的科學探索精神和創(chuàng)新思維能力。

經過多年的分析化學實驗教學實踐發(fā)現，傳統(tǒng)的實驗教學模式[1]存在以下弊端：(1) 學生自主發(fā)揮的空間較少，缺乏主動思考，機械式完成實驗，無暇思考與探究，不利于學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)；(2) 教師專注于知識傳播教育，強調學生必須掌握分析方法、實驗原理及實驗技能等，而忽視了學生解決問題能力和科學探索精神的培養(yǎng)；(3) 在實驗過程中，學生只是根據實驗講義和教師的講解完成實驗，缺乏主動性，難以實現理論與實踐的結合，難以達到教學目標；(4) 考核方式過于簡單，實驗成績評定的主要依據是實驗報告，而實驗報告只能體現學生的書寫、實驗數據的記錄和分析等，無法對實驗過程、科學思維等方面進行全面評價，不利于全面考查學生的綜合實驗素質。這些問題導致傳統(tǒng)的分析化學實驗課程不能很好地培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，也實現不了創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)，不利于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。

近年來，隨著現代信息技術的飛速發(fā)展和應用，新型教學模式不斷涌現，以微課為基礎的翻轉課堂教學模式[2,3]，以及網絡在線課堂、大學MOOC、線上視頻教學、虛擬實驗平臺等新型工具的應用，一定程度上提升了學生的學習主動性和學習興趣，能夠改善傳統(tǒng)教學模式無法滿足學生個性化學習需求的現狀，并且收到了較好的教學效果。然而，這些新型教學模式對學生的創(chuàng)新意識和科學探索精神的培養(yǎng)是有限的，也不利于學生自主學習探索能力的培養(yǎng)。

2 分析化學實驗教學新模式——STEM理念

STEM教育理念[4]是由美國國家科學委員會于1986年提出的，它綜合了科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineer)、數學(Math)四個方面，旨在解決創(chuàng)新人才不足的困境。目前，該教育理念已經被歐美等發(fā)達國家廣泛采用，我國各大高校也開始探索并實踐STEM教育理念在教學中的應用。為了提高學生的創(chuàng)新思維能力、分析問題和解決問題能力，實現創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。我們將STEM理念用于分析化學實驗教學新模式探索，通過對課程教學流程再造，對原有的教學內容設計、課堂教學過程、學生成績評價等各個方面進行優(yōu)化與調整。以全面提高學生對理論知識的綜合應用能力、分析和解決問題的能力，引導學生積極思考、主動學習，提高學習的學習興趣，激發(fā)學生的科學探索精神和創(chuàng)新思維能力，從而實現創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。

基于STEM理念的分析化學實驗教學過程如圖1所示，主要包括情境引入、問題探索、科學實踐、知識擴展和成績評價等五個教學環(huán)節(jié)。(1) 情景引入：教師引入實際問題，明確任務目標，學生回顧相關理論知識，查閱相關資料，并分組討論，形成問題初步解決方案；(2) 問題探索：各小組自主完成實驗方案設計，包括實驗原理、實驗內容、相關儀器、實驗步驟等內容，授課教師參與實驗方案討論，并形成方案修改完善意見，學生進一步優(yōu)化并確定實驗方案；(3) 科學實踐：學生進入課堂進行實際實驗，規(guī)范執(zhí)行實驗操作，仔細觀察實驗現象，準確記錄實驗數據，教師檢查學生操作正確性和規(guī)范性，解答學生實驗過程中的各種疑難問題；(4) 知識擴展：教師指導學生進行數據處理和實驗總結，學生處理實驗數據，完成實驗報告，總結實驗得失，解答思考題；(5) 成績評價：通過學生自主設計的實驗方案、完成實驗的基本情況、實驗數據處理、實驗報告的完成情況、課程目標的達成情況等綜合評判實驗成績，學生可以根據實驗報告評價結果，總結實驗得失，鞏固相關知識。將STEM教學理念引入分析化學實驗課程教學過程中，需要從課前、課堂和課后三個方面對分析化學實驗教學內容進行優(yōu)化與調整，以實現分析化學實驗教學培養(yǎng)目標。

圖1 基于STEM理念的分析化學實驗教學過程

2.1 課前準備

課前準備包含情景引入和問題探索兩個環(huán)節(jié)。由原來的學生按照教材進行預習，熟悉現成的實驗方案，轉變?yōu)橐雽嶋H問題，確定任務目標，由學生根據相關理論知識和相關資料，進行實驗設計，完成實驗方案。進一步和教師進行實驗方案的充分討論，確定最終實驗方案。整個過程由學生主導，自主完成，根據實驗任務，可以對學生進行分組，組內學生分工探索，共同完成實驗方案。實際操作過程為教師提前2周布置待解決的問題，要求學生分小組在課外自主討論并形成實驗方案，約定提前一周在課堂留出時間和教師討論優(yōu)化，提出修改完善意見，并在該實驗開始前確定。以西北大學化學專業(yè)分析化學實驗課程為例，共有72學時，10個實驗項目，其中前2周次課程為儀器操作練習和滴定練習，為后續(xù)實驗打基礎，不使用STEM模式教學，可在課堂上直接布置后續(xù)實驗；在確定實驗方案時，因各小組實驗完成進度不同，在學生完成本次實驗后，和教師討論上周布置的實驗方案；在該實驗課堂不再進行實驗統(tǒng)一講解，學生按完善后的實驗方案，自主完成實驗。

以自來水總硬度的測定為例(如表1所示)，給出實驗擬解決的實際問題為“如何通過滴定的方法準確測定自來水硬度？”，同時給出實驗涉及的基本原理：測定水的鈣鎂總硬度時，在pH = 10的緩沖溶液中，以鉻黑T (EBT)為指示劑，指示劑與鈣、鎂離子形成酒紅色的絡合物，滴定時指示劑被EDTA從絡合物中取代出來，至終點即恢復指示劑本身的天藍色；同時需要掩蔽Fe3+、Al3+、Cu2+、Pb2+、Zn2+等金屬離子。

表1 課前預習需要完成的事項——以“自來水硬度測定”為例

在此基礎上，要求學生自主查閱學習相關知識點：水總硬度、鈣硬度、鎂硬度、暫時硬度、永久硬度、絡合滴定、EDTA溶液、標準溶液的標定、鉻黑T指示劑、掩蔽劑等；按組完成實驗方案，主要包括實驗所需的儀器和試劑、實驗內容、溶液的配制、標準溶液的標定、待測溶液的滴定、操作步驟、實驗注意事項等內容；由學生以小組的方式完成實驗預習環(huán)節(jié)，主要包括實驗原理、實驗內容及實驗步驟的實驗方案，要求細化到每一步溶液的配制、標定，實驗現象的觀察記錄，數據記錄表格設計，并在課前和教師討論實驗方案，完善并確定最終的實驗方案。

2.2 課堂教學

對于STEM理念的分析化學實驗新模式教學，需要教師和學生在課前投入大量的精力完善實驗方案。課堂教學是主要的科學實踐環(huán)節(jié)，首先由教師按組確定各組的最終實驗方案，由學生合理安排實驗步驟，正確使用實驗儀器，仔細觀察實驗現象，正確記錄實驗數據，自主完成實驗。由于學生課前自主設計了實驗方案，對實驗內容及操作步驟非常清楚，不需要教師再重新講解相關實驗原理、內容和步驟。分析化學實驗新模式教學下的教師課堂教學重點關注以下四點：(1) 仔細觀察學生的實驗操作，及時糾正錯誤或不規(guī)范操作，耐心指導操作不規(guī)范的同學，督促學生嚴格按照規(guī)范性操作的要求去完成實驗；(2) 檢查實驗記錄的規(guī)范與整潔，在認真觀察實驗現象的基礎上及時準確記錄實驗數據，不涂改、不在實驗報告以外記錄、不用鉛筆記錄等；(3) 關注實驗安全，督促學生保持臺面整潔，養(yǎng)成良好的實驗習慣，提升實驗操作水平；(4) 解答學生的疑難問題，引導學生利用理論知識解釋實驗現象，探討相關知識，開拓學生思路。

對于分析化學實驗課的教學，教師不再按照傳統(tǒng)模式進行課堂講解，課堂轉變?yōu)閷W生主導完成實驗過程，培養(yǎng)學生分析和解決問題的能力，引導學生積極思考、主動學習，提高學習和探索研究的興趣，激發(fā)學生的科學探索精神，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。教師主要關注學生實驗過程中操作的規(guī)范性、實驗現象觀察的細致程度、實驗記錄的規(guī)范清晰情況，負責解答學生實驗過程中各類問題的疑難，啟發(fā)學生根據理論知識解釋實驗現象，將理論與實踐相結合，實現知識的融會貫通。

2.3 課后總結擴展

實驗完成后，學生需要分析處理實驗數據，解答相關思考題，完成實驗報告，并可通過小組討論，回顧實驗過程，擴展理論知識，對實驗方案進一步評價完善，總結實驗得失。教師可參與小組對實驗方案實施效果的討論，引導學生利用理論知識分析解釋實驗現象，指導學生處理實驗數據，總結和評價實驗結果。

3 實驗成績評價

傳統(tǒng)的分析化學實驗教學考核方式比較單一，主要通過實驗報告給出最終考核成績，無法對學生進行全面評價，無法客觀反映學生的實驗技能和實驗水平。按照STEM教學理念，通過指導學生自主完成任務的方式進行教學活動，教師在課前、課中和課后都深度參與到學生的學習活動中，可以更加客觀地對學生的每一個環(huán)節(jié)進行評價，評分內容可以擴展到教學過程的每一個環(huán)節(jié)(如圖2所示)，主要是實驗方案、實驗過程和實驗報告這三個部分，成績分別占30%、40%和30%，并在各個部分進一步進行細分，以全面考查學生的實驗綜合能力。

圖2 基于STEM教學理念的分析化學實驗考核新方式

4 結語

將STEM理念引入分析化學實驗教學，改變了傳統(tǒng)的教師主導的課堂模式，契合了新工科的培養(yǎng)理念，通過以學生為中心、以真實問題為牽引，讓學生通過相關課程理論線索，自主設計實驗方案，完成實驗過程和實驗結果數據分析，從而解決實際問題。在解決問題的過程中，充分調動了學生的學習積極性和主動性，提升了學生的學習興趣，培養(yǎng)了學生分析問題、解決問題的能力。同時有助于培養(yǎng)學生嚴謹的科學態(tài)度，一絲不茍的科學作風，有助于學生的創(chuàng)新意識和科學探索精神的培養(yǎng)。該教學模式有望進一步應用于其他實驗課程教學過程。